4. Детальне пояснення виконання роботи
1. Запустити програму Multisim 10 можна з «робочого столу» (ярлик знаходиться на ньому) або з панелі «пуск» (пуск→програми→National Instrument→Circuit Design 10.0 →Multisim 10) (рис.8.6).
Рис. 8.6. Вікно графічного редактора Multisim 10.
Створити проект в програмі Multisim 10.
Проект – це файл, в якому формуватимуться та зберігатимуться операції. В деяких версіях він автоматично створюється, тому не завжди це потрібно робити.
Для створення проекту виконати операції: File → New → Schematic Capture (Design) (рис.8.7).
Рис. 8.7. Послідовність створення проекту.
3. Вибрати діод (його модель) в бібліотеці компонентів або при необхідності створити модель обраного діода самостійно за вказаними параметрами. (Дані на компоненти необхідно брати із офіційних джерел – технічної документації на елемент або в мережі Internet, наприклад за адресою http://www.datasheetcatalog.com).
Для вибору діода в бібліотеці виконуються наступні кроки: за посиланням Place вмикаємо вікно Componеnt, на панелі Group обираємо Diodes та на панелі Component обираємо марку діода (вводимо марку в рядку Component). Натискаємо кнопку «ОК» у вікні Component та «миші» на робоче поле і натискаємо ліву кнопку «миші» чи клавішу «Enter» на робочому полі з’явиться діод. Далі закриваємо вікно компонентів.
Рис. 8.8. Вікно головного меню для відкриття вікна Componеnt.
Рис. 8.9. Вікно вибору компонентів (Componеnt).
Рис. 8.9. Умовне позначення діода на схемі.
При такому виборі діода (рис.8.9) модель (схема заміщення) діода, створюється за наданими виробником характеристиками діода. Програма автоматично розраховує всі потрібні параметри та створює модель.
Побудуємо вольт-амперну характеристику (ВАХ) діода та визначимо Eзм.. Для цього у головній панелі обираємо Simulate, потім вкладку інструменти (Instruments) та вмикаємо вікно аналізатора ВАХ (IV Analyzer).
З’єднуємо провідником два входи аналізатора з діодом. Лівий вхід під’єднуємо до анода, середній - до катода. Для цього необхідно натиснути ліву кнопку «миші» біля обраного компонента (в тому місці де з’явився відповідний значок-маркер) та провести лінію до іншого компонента, потім ще раз натиснути ліву кнопку «миші».
Після цього натиснути двічі лівою клавішею «миші» по аналізаторові. Відкриється вікно аналізатора. Запускаємо симуляцію клавішею «F5» або в головній панелі Simulate обирати пункт Run. Корегувати межі ВАХ можна за допомогою панелей діапазон струму «Current Range(A)» та діапазону напруги «Voltage Range(V)».
Для отримання значень на ВАХ в лівому краю вікна знаходиться курсор. Координати встановлених курсорів визначаються автоматично. Курсори встановлюються в потрібні місця за допомогою «миші» при натиснутій лівій клавіші. Замалювати ВАХ по точкам в протоколі.
4. Створення схеми діодного обмежувача напруги.
Схема створюється у графічному редакторі Multisim 10 з використанням панелі інструментів Components. Встановимо для схеми (рис. 8.4) номінальні значення резисторів (Rдж =100 Ом, Rн=100 Ом). Для цього з групи різних компонентів (Group) обираємо потрібні (Basic). На панелі Family, обираємо вид компонента – резистор (RESISTOR); на панелі Component обираємо номінал резистора(вводимо номінал в строчці Component) та натискаємо кнопку «ОК». Потім за допомогою «миші» розміщуємо його на робочому полі (в довільному місті) та натискаємо ліву кнопку.
Рис. 8.10. Приклад вибору резисторів.
В аналогічній послідовності задається номінальне значення ємності (Capacitor). Порядок задання зрозумілий з рис.8.11.
Вибір постійного джерела (Sources) (рис.8.12) проводиться наступним чином: з групи різних компонентів (Group) обираємо джерело живлення (Sources). На панелі Family обираємо джерела живлення (Power_Sources), а на панелі «Component» обираємо джерело постійного струму живлення (DC_POWER).
Аналогічно обирається компонент земля (GROUND) на тій же панелі.
Генератор імпульсів вибираємо на панелі «Family» (SIGNAL_VOLTAGE_ SOURCES), а на панелі Component – форму імпульсів (BIPOLAR_VOLTAGE).
Рис. 8.11. Приклад вибору конденсаторів.
Рис. 8.12. Вибір джерела живлення.
Для закінчення побудови схеми потрібно з’єднати компоненти провідниками. Для цього натиснути ліву кнопку «миші» біля обраного компонента (в тому місці де з’явився відповідний значок-маркер ) та провести лінію до іншого компонента, потім ще раз натиснути ліву кнопку «миші».
Для обертання компонентів навколо своєї осі виділяємо компонент (навівши курсор «миші» на потрібний елемент і однократно клацнувши правою кнопкою на ньому), натискаємо праву клавішу «миші» та обираємо з відповідного меню функцію «90 Clockwise», або використовуємо «гарячі» клавіші Ctrl+R.
На рис. 8.13 показана побудована схема діодного обмежувача напруги.
Рис. 8.13. Приклад схеми обмежувача напруги «зверху».
5. Для того щоб змінити номінали будь-якого компонента в уже зібраній схемі необхідно: навести курсор на потрібний елемент схеми, двічі натиснути на ліву кнопку «миші». Після того як відкриється вікно параметрів обраного компонента, необхідно внести до нього необхідні зміни та натиснути кнопку «ОК».
При виборі біполярного джерела напруги (BIPOLAR_VOLTAGE) необхідно враховувати наступне:
Positive pulse voltage – Позитивна амплітуда імпульсу;
Negative pulse voltage – Негативна амплітуда імпульсу;
Voltage offset – Напруга зміщення;
Duty cycle/pulse duration time – Робочий цикл/ тривалість двох-полярного імпульсу в часі, тобто сума часу позитивного та негативного імпульсів;
Frequency (F) / period – Частота (F) / період імпульсу;
Rise time – Час зростання імпульсу;
Fall time – Час спаду імпульсу.
6. Для перевірки відповідності роботи схеми обмежувача напруги вимогам ТЗ необхідно побудувати дві часові характеристики напруг (вхідну та вихідну). Часова характеристика відображається на віртуальному осцилографі, підключеному до резистора навантаження Rн чи ємності Сн. Віртуальний осцилограф запускається наступною послідовністю дій: на головній панелі обираємо Simulate, потім вкладку інструменти (Instruments) та вмикаємо вікно осцилографа (Oscilloscope).
Ці дії зображено на рис.8.14.
Рис. 8.14. Вибір осцилографа.
Далі потрібно приєднати вхід осцилографа «А» до резистора навантаження Rн чи ємності Сн, а вхід «В» до генератора імпульсів. Для перегляду осцилограми, необхідно: запустити розрахунок (Simulate), запустити (Run) та навівши курсор на осцилограф, натиснути два рази по лівій клавіші «миші». З’явиться вікно осцилографа (рис.8.15). Виконати калібровки.
Рис. 8.15. Вікно осцилографа.
Після перегляду проходження 2-х чи 3-х імпульсів натиснути кнопку стоп (Stop). На екрані маємо зображення показане на рис.8.16. Якщо обмеження напруги не відбувається, то потрібно переглянути ТЗ та номінали компонентів схеми. Після чого повторити розрахунок.
Рис. 8.16. Осцилограми напруг на ключі.
При виконанні цього пункту треба пам’ятати:
- Що при обиранні робочої точки на ВАХ не було враховано опір навантаження. Це призведе до того, що Eзм буде знайдено не точно, а відповідно, і обмеження напруги Ui+ не буде рівним 6 В. Точне значення Uпр можна виміряти осцилографом на схемі обмежувача, приєднавши діод відразу до землі, тобто забрати зі схеми Eзм або прирівняти Eзм його до нуля. Максимальна напруга на осцилографі буде Uпр. Звідси за формулою Eзм+Uпр= Ui+, знаходимо Eзм.
- Що, якщо графіки не схожі на зображені на рис.8.16 та 8.17, то потрібно переглянути вимоги до схеми, її опис та побудовану в програмі схему. Після виправлення недоліків повторити розрахунок.
- Що осцилограф має входи «А» та «В», кожен з яких має дві клеми «+», яка називається «фаза» та «-» – «земля». Клема «+» підключається в точку, і якій вимірюється напруга, а «-» - на землю.
7. Визначити верхні та нижні рівні напруг (рис.8.17).
Для визначення швидкодії ключа необхідно виміряти час встановлення переднього фронту вихідного імпульсу tввімк та час встановлення заднього фронту tвимк. Час ввімкнення (встановлення переднього фронту) вимірюється від моменту зміни полярності вхідного імпульса, до моменту, в якому значення вихідного сигналу становить 90% від максимального значення. Час вимикання (встановлення заднього фронту) вимірюється від моменту зміни полярності вхідного імпульса до часу, в який значення вихідного сигналу становить 10% від максимального значення. Для вимірювання параметрів імпульсу, необхідно виставити зручний для перегляду масштаб за допомогою калібровки в осцилографі (Oscilloscope) та функцій оптичного збільшення (Zoom in), зменшення (Zoom Out) та оптичного відновлення (Zoom Restore). Координати встановлених курсорів автоматично визначаються у вікні аналізу перехідних процесів (Transient Analysis) та осцилографа (Oscilloscope). Курсори (1, 2) в осцилографі знаходяться в лівому краю вікна, а у вікні аналізу перехідних процесів є кнопка - показати курсори (Show Cursors). Курсори встановлюються в потрібні місця за допомогою «миші» при натиснутій лівій клавіші.
Швидкодія ключа визначається за формулою:
Tсер.розп = ½ (tввімк+ tвимк).
Рис. 8.17. Збільшений вигляд осцилограми необхідної для розрахунку перехідних процесів.
8. Аналіз отриманих результатів.
За побудованими часовими діаграмами визначається швидкодія ключа та аналізується виконання вимог ТЗ. На швидкодію діодного ключа впливають навантаження, ємності діода, величини опору бази та амплітуда вхідного сигналу. Для збільшення швидкодії ключа необхідно обирати діоди з мінімальним значення бар'єрної ємності. Опір бази впливає на рівень скачка напруги при переході ключа із закритого стану у відкритий при великому рівні інжекції (початковий момент часу ). На швидкодію діодного ключа впливає також амплітуда вхідного сигналу. Чим більший вхідний струм, тим менше час заряду бар'єрної ємності при переході із стану “вимкнено” в стан “ввімкнено”, але довший процес розосередження заряду в базі (t2 ... t3), див. рис.8.2. При збільшенні зворотного струму, зменшується тривалість цього часу. На тривалість часу остаточного виведення заряду (t3 ...t4) (рис.8.2) впливає значення бар'єрної ємності та опір джерела сигналу. Чим менші ці величини, тим більша швидкодія ключа. Внутрішній опір генератора Rдж прямо пропорційно впливає на швидкість перемикання, адже із збільшенням внутрішнього опору генератор, збільшується стадія встановлення зворотного опору.
Використання діодів Шотткі, для яких відсутній процес інжекції (відсутня дифузійна ємність), призводить до значного зменшення тривалості перемикання ключа та зменшення втрат сигналу на прямому опорі діода (напруги на переході у відкритому стані на 0,3-0,35 В менше ніж у кремнієвого діода). Тому якщо спроектований ключ не відповідає вимогам ТЗ, то кремнієвий діод змінюється на діод Шотткі та повторюється проектування схеми для нового діода.
5. Зміст звіту
1. Схема діодного ключа.
2. Отримані осцилограми напруг.
3. Розраховані значення часу ввімкнення та вимикання.
4. Розраховане значення швидкодії ключа.
5. Висновки.